隨(sui)著(zhe)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)等(deng)功(gong)能(neng)強(qiang)大(da)的(de)智(zhi)能(neng)設(she)備(bei)不(bu)斷(duan)進(jin)步(bu)，新(xin)的(de)應(ying)用(yong)層(ceng)出(chu)不(bu)窮(qiong)，係(xi)統(tong)開(kai)發(fa)經(jing)常(chang)跟(gen)不(bu)上(shang)不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)新(xin)要(yao)求(qiu)。如(ru)今(jin)，諸(zhu)如(ru)室(shi)內(nei)導(dao)航(hang)和(he)增(zeng)強(qiang)現(xian)實(shi)等(deng)使(shi)用(yong)運(yun)動(dong)或(huo)位(wei)置(zhi)數(shu)據(ju)的(de)新(xin)應(ying)用(yong)，都(dou)要(yao)求(qiu)用(yong)戶(hu)接(jie)受(shou)原(yuan)本(ben)是(shi)為(wei)簡(jian)單(dan)遊(you)戲(xi)應(ying)用(yong)開(kai)發(fa)的(de)、不太完美的傳感器融合。但是，最終用戶很容易發現這些實現具有相當多的缺點，並且精度很低。

 

傳感器融合是一種創新的工程技術
，通過整合來自各種係統傳感器的數據，來保證更加精確、wanzhenghekekaodechuanganqixinhaohuoganzhixinxi。yaoxiangshixianshizhongjingquedechuanganqironghe，gongchengshizaijuedingruheyouhuazhenghelaizizhexiechuanganqideshujuzhiqian
，shenrulijiechuanganqideyouquedianhenzhongyao。yizhongkechenggongshixiandefangfashishiyongjiyujiasuduji、磁力計和陀螺儀等傳感器信號的融合數據庫
，並通過補償每種傳感器的缺點
，來提供高精度、可靠和穩定的方位數據。

 

隨(sui)著(zhe)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)不(bu)斷(duan)接(jie)觸(chu)到(dao)這(zhe)些(xie)新(xin)的(de)應(ying)用(yong)
，他(ta)們(men)希(xi)望(wang)能(neng)有(you)更(geng)加(jia)精(jing)確(que)和(he)可(ke)靠(kao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)用(yong)於(yu)在(zai)已(yi)知(zhi)固(gu)定(ding)位(wei)置(zhi)之(zhi)間(jian)跟(gen)蹤(zong)用(yong)戶(hu)的(de)室(shi)內(nei)導(dao)航(hang)與(yu)早(zao)期(qi)的(de)GPS設備非常類似
，隻有質量優異的傳感器融合，才可以提供所要求的逼真度、精度乃至用戶信心。OEM廠商都明白這一點，因此大多數廠商都認為這是實現產品差異化的良好契機。

 

另外一個例子是從虛擬現實到增強現實的進步。在虛擬現實(VR)係統中，用戶與現實世界相隔離，沉浸於一個人造世界中。而在增強現實(AR)係xi統tong中zhong，用yong戶hu仍reng能neng與yu現xian實shi世shi界jie相xiang接jie觸chu
，同tong時shi又you能neng與yu他ta們men周zhou圍wei的de虛xu擬ni物wu體ti進jin行xing互hu動dong。利li用yong現xian有you的de技ji術shu
，信xin息xi傳chuan送song的de延yan遲chi對dui用yong戶hu來lai說shuo是shi不bu能neng忍ren受shou的de—增強現實中的這種錯位可能導致非常糟糕的用戶體驗。

 

對OEM廠商和平台開發人員(即操作係統開發人員)來(lai)說(shuo)
，最(zui)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)需(xu)要(yao)確(que)保(bao)所(suo)有(you)器(qi)件(jian)都(dou)能(neng)提(ti)供(gong)滿(man)足(zu)這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)要(yao)求(qiu)的(de)性(xing)能(neng)。舉(ju)例(li)來(lai)說(shuo)，安(an)卓(zhuo)設(she)備(bei)中(zhong)有(you)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)的(de)軟(ruan)硬(ying)件(jian)組(zu)合(he)
，每(mei)種(zhong)組(zu)合(he)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)不(bu)同(tong)的(de)輸(shu)出(chu)質(zhi)量(liang)。目(mu)前(qian)沒(mei)有(you)標(biao)準(zhun)的(de)測(ce)試(shi)程(cheng)序(xu)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)應(ying)用(yong)開(kai)發(fa)人(ren)員(yuan)不(bu)能(neng)依(yi)靠(kao)安(an)卓(zhuo)傳(chuan)感(gan)器(qi)數(shu)據(ju)在(zai)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)平(ping)台(tai)上(shang)實(shi)現(xian)相(xiang)同(tong)的(de)性(xing)能(neng)。以(yi)下(xia)是(shi)用(yong)運(yun)動(dong)跟(gen)蹤(zong)攝(she)像(xiang)頭(tou)係(xi)統(tong)分(fen)析(xi)和(he)比(bi)較(jiao)不(bu)同(tong)軟(ruan)硬(ying)件(jian)組(zu)合(he)性(xing)能(neng)從(cong)而(er)設(she)定(ding)最(zui)小(xiao)性(xing)能(neng)標(biao)準(zhun)的(de)建(jian)議(yi)。性(xing)能(neng)分(fen)析(xi)是(shi)通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)4個關鍵性能指標(KPI)實現的，這些指標是：靜態精度、動態精度、方位穩定時間和校準時間。

 

攝像頭係統通過跟蹤物體上的標記根據物體(智能手機)的(de)運(yun)動(dong)產(chan)生(sheng)方(fang)位(wei)矢(shi)量(liang)，這(zhe)些(xie)矢(shi)量(liang)再(zai)與(yu)手(shou)機(ji)中(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)創(chuang)建(jian)的(de)矢(shi)量(liang)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)。數(shu)據(ju)記(ji)錄(lu)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)對(dui)這(zhe)些(xie)矢(shi)量(liang)進(jin)行(xing)同(tong)時(shi)記(ji)錄(lu)，該(gai)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)支(zhi)持(chi)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)設(she)備(bei)的(de)直(zhi)接(jie)比(bi)較(jiao)。

 

本文將介紹智能手機環境中傳感器融合的概念，討論如何使用傳感器融合軟件提高總體精度
，並介紹在許多旗艦智能手機上執行的

、包括性能結果測量在內的一種測試方法。

 

文章所描述的融合庫使用加速度計
、磁力計和陀螺儀傳感器信號補償彼此的缺點，並提供高精度、可靠和穩定的方位數據。下麵著重分析這些關鍵器件的優缺點，以及它們是如何補償彼此缺點的(圖1)。

圖1：MEMS傳感器的固有特性。

 

物體的方位描述了它在三維空間中是如何放置的
，一般來說，方位是相對於一個坐標係中規定的參考係進行定義的。至少需要3個獨立的值作為三維矢量的一部分

，用於描述真正的方位。物體的所有點在旋轉過程中都會改變它們的位置，位於旋轉軸上的點除外。

 

 

磁ci力li計ji對dui幹gan擾rao性xing的de本ben地di磁ci場chang和he畸ji變bian高gao度du敏min感gan，它ta們men容rong易yi造zao成cheng計ji算suan得de到dao的de磁ci航hang向xiang出chu現xian錯cuo誤wu。陀tuo螺luo儀yi可ke以yi用yong來lai在zai沒mei有you旋xuan轉zhuan記ji錄lu的de情qing況kuang下xia檢jian測ce這zhe種zhong幹gan擾rao和he航hang向xiang變bian化hua。傳chuan感gan器qi融rong合he隨sui後hou通tong過guo給gei陀tuo螺luo儀yi數shu據ju提ti供gong比bi磁ci力li計ji數shu據ju更geng多duo的de權quan重zhong，就jiu可ke以yi精jing確que地di進jin行xing補bu償chang。

 

地球磁場的水平分量用於計算磁航向，而俯仰角和滾轉角分別是沿著水平(X)和垂直(Y)軸的傾斜角。這些傾斜角影響XY軸方向的磁場。當設備不處於水平位置時，即傾斜角不是零時，航向計算將不正確。因此在利用加速度計
，通過旋轉XY平麵對方位進行計算之前，確保這些傾斜角得到補償很重要。

 

jiasudujizhinengceliangyinshebeiyundongyinqidejiasuduheyinzhongliyinqidejiasuduzaineidezongjiasuduzhi，erbunengjianceerzhezhijiandequbie，yincixuyaojiangzhongliheyundongfenkailai：

 

線性加速度＝加速度－重力加速度

 

可以將重力矢量想象為一種指示重力方向和幅度的三維矢量。當設備處於靜止狀態時
，重力傳感器的輸出應該與加速度計的輸出相同。

 

線性加速度可以被看作是一個指示每個設備軸向加速度的三維矢量，並且在手機應用中被認為與重力分量無關。

 

cishijiuyongdedaotuoluoyile。tuoluoyikeyiyonglaijianceshebeiheshichuyujingzhizhuangtai
，bingchufazhonglishiliangpianyixiaozhundejisuan。jieguokezaizhuaneryongyujisuanshebeiyundongguochengzhongdedongtaifenliang(線性加速度)。

 

 

陀螺儀可以提供圍繞著三個軸的旋轉速度，因此可以用來跟蹤設備在運動中的方位。陀螺儀可以跟蹤的旋轉速度高達2000度每秒(dps)，而磁力計可跟蹤的速度被限製在約400dps以下。但是，陀螺儀隻能輸出相對位置
，因此需要有一個不失真的磁力傳感器作為參考。

 

suoyouxiaofeijituoluoyidoucunzaiguyoudepiaoyiwucha，yincijishishebeichuyuwendingzhuangtai
，tuoluoyiyehuisuizheshijianhewendudebianhuafashengyidingchengdudexuanzhuan。weilejiuzhengzhexiewucha，keyiyonggaowendingxingdejiasudujijiancejingzhizhuangtai
，ranhoujingjisuanjinxingshidangdebuchang。

 

 

chuanganqirongheshiyigegaoduzhuanyehuadeshejilingyu
，xuyaoshulianzhangwojianmohefangzhenjishu。tayaoqiujinzuidakenengdilijiechuanganqidegongzuoxijieyijitamendequedianhejiaohuqingkuang。duonianlai
，renmendeguanzhudianyijingbeidaijindaohang、智能手機應用和遊戲等領域。但直到現在

，借助大量知識的儲備和累積，才使得人們可以獲得真實和精確的結果。

 

在基於傳感器融合的係統中

，操作需要進行精細調整。現實世界中沒有什麼事像“即插即用”zhemejiandan。yigexitongdeshiyunxingyaoqiubixutiaozhengcanshu
，erqiemeigechuanganqidecaozuozhijiancunzaijiaohu，yincihenrongyibianchenggaodufuzadefanfuguocheng。rujinderuanjianjuyouyihengaocengcizhixingzhezhong“精細調整”的能力
，並且可以向OEM廠商提供簡單直觀的濾波器調整程序(圖2)。

圖2：典型的傳感器融合軟件架構。

 

預定義濾波器使得精細調整速度更快

 

jiranchuanganqironghecaozuodejingxitiaozhengyifazhanbingjianhuachenglelvboqitiaozhengrenwu
，tajiugeikaifarenyuantigongleyigeyoujiazhidejihui。tongguoshidangtiaozhenglvboqi，kaifarenyuanhuoOEMchangshangkeyirangzuizhongchanpinyishichangchayihuadefangshiyunxing。youyusuoyouquanhengguanlidoushizidongwanchengde，kaifarenyuankeyizuochuyouxiaodejuece
，liruzaizuigaowendingxinghezuigaoxingnengzhijianzuochuquanheng，yibianshiyingzuizhongmubiaoshichang。

 

 

所suo有you傳chuan感gan器qi融rong合he技ji術shu並bing不bu等deng同tong。在zai現xian有you的de實shi現xian技ji術shu和he測ce試shi方fang麵mian，不bu同tong供gong應ying商shang之zhi間jian有you很hen大da差cha異yi。為wei了le得de到dao正zheng確que結jie果guo，必bi須xu采cai用yong含han有you經jing過guo驗yan證zheng的de精jing確que庫ku的de正zheng確que軟ruan件jian方fang法fa。

 

所有硬件在接口和時序參數方麵必須兼容和匹配。合理的方法是確保攝像頭係統的性能，這些係統將通過跟蹤物體上的標記根據物體(本例中是智能手機)移動產生方位矢量。方位矢量再與傳感器創建的、用數據記錄應用同時記錄的矢量進行比較。使用這種基於攝像機的係統允許對最終商用設備進行直接比較。

 

 

jingtaijingdubeidingyiweishebeizhiyuwendingweizhishi
，celiangdaodeshebeifangweiyushijishebeifangweizhijiandepiancha。weilejisuanjingtaijingdu
，xuyaoshoujizaiduogeweizhijingzhifangzhishishoujihangxiang、俯fu仰yang和he滾gun轉zhuan方fang麵mian的de成cheng套tao數shu據ju。一yi個ge設she備bei的de靜jing態tai精jing度du主zhu要yao受shou磁ci力li計ji和he陀tuo螺luo儀yi的de硬ying件jian參can數shu以yi及ji軟ruan件jian中zhong給gei它ta們men分fen別bie分fen配pei的de權quan重zhong影ying響xiang。在zai具ju有you低di靜jing態tai精jing度du值zhi的de設she備bei中zhong
，最zui終zhong用yong戶hu可ke以yi在zai羅luo盤pan或huo地di圖tu應ying用yong的de絕jue對dui航hang向xiang中zhong看kan到dao很hen大da偏pian差cha，當dang設she備bei處chu於yu靜jing態tai狀zhuang態tai，他ta們men還hai能neng在zai交jiao互hu式shi應ying用yong中zhong見jian到dao抖dou動dong(很小的旋轉移動)。這是由於軟件校正陀螺儀漂移引起的。

 

dongtaijingdubeidingyiweishebeizaiyundongshi，celiangdaodeshebeifangweiyushijishebeifangweizhijiandepiancha。youyuzaiyundongqijianshejidaoxuanzhuanjiasudu，celiangqilaigengjiakunnan。dongtaijingdushizaishoujiyibutongyundongmoshi(8字舞、慢速線性、快速和慢速旋轉以及遊戲動作)運動時，通過采集航向、俯仰和滾轉等成套數據進行計算的。所有數據都以最快可能的數據速率進行采集。

 

zaijuyoudidongtaijingdudeshebeizhong
，zuizhongyonghukeyikandaopingmushangdeyidongyushebeishijiyundongzhijianyouhendapiancha。zhezaizengqiangxianshiyingyongzhongtebieyinrenzhuyi，yinweizengqiangdanyuandeyidongyuxianshishijiebushitongbude。zheyeshiyonghuzaishiyongxunixianshijifenzhonghoujiugandaobumanyideyuanyinzhiyi。

 

雖然直接關係不是很明顯，但大誤差的動態精度也是室內導航應用性能差的主要原因。由於用戶在已知固定點之間導航(比如從Wi-Fi或藍牙信標開始)
，傳感器數據可用於計算軌跡。然而，航向誤差將隨著時間的推移而累積
，因此具有15°較差動態精度的設備很容易在20s～30s時間內產生超過100°的累積誤差。諸如地圖匹配等更高層處理也許可以做些修正，但代價是更大的功耗(圖3)。

圖3：方位隨時間發生偏離。

 

 

校(xiao)準(zhun)時(shi)間(jian)被(bei)定(ding)義(yi)為(wei)在(zai)純(chun)淨(jing)的(de)磁(ci)場(chang)環(huan)境(jing)中(zhong)校(xiao)準(zhun)設(she)備(bei)中(zhong)的(de)磁(ci)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，使(shi)之(zhi)從(cong)未(wei)校(xiao)準(zhun)狀(zhuang)態(tai)到(dao)完(wan)全(quan)校(xiao)準(zhun)狀(zhuang)態(tai)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)。所(suo)有(you)磁(ci)性(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)校(xiao)準(zhun)，但(dan)用(yong)於(yu)校(xiao)準(zhun)的(de)方(fang)法(fa)定(ding)義(yi)了(le)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)是(shi)否(fou)需(xu)要(yao)校(xiao)準(zhun)以(yi)及(ji)如(ru)何(he)去(qu)校(xiao)準(zhun)。

 

一些設備采用8字舞校準方法，即提示最終用戶將設備在空氣中做8字運動完成設備的校準。即使是由有經驗的測試人員來做，這種方法也要花5s～6s的時間才能完成設備校準。

 

juyoujiaoduanxiaozhunshijiandeshebeishiyongtuoluoyixiaozhuncilichuanganqi，zheyiweizhexiaozhunkeyizaibeijingzhongyunxing，suoyaoqiudeshebeiyidongfuduyaoxiaodeduo。zhexieyidongtongchangzaizhengchangcaozuozhongjinxing，zuizhongyonghuyongyuanbubizhudongquxiaozhunchuanganqi。boshichuanganqijishugongsidekuaisucilixiaozhun(FMC)算法就是使用後一種方法來確保較短的校準時間。

 

 

方位穩定時間被定義為“運動之後”到達精確、穩(wen)定(ding)方(fang)位(wei)狀(zhuang)態(tai)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)。方(fang)位(wei)穩(wen)定(ding)時(shi)間(jian)應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)短(duan)，以(yi)便(bian)用(yong)戶(hu)看(kan)不(bu)到(dao)他(ta)們(men)停(ting)止(zhi)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)與(yu)設(she)備(bei)停(ting)止(zhi)移(yi)動(dong)並(bing)穩(wen)定(ding)到(dao)正(zheng)確(que)位(wei)置(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)延(yan)遲(chi)。當(dang)設(she)備(bei)的(de)靜(jing)態(tai)和(he)動(dong)態(tai)精(jing)度(du)都(dou)很(hen)差(cha)時(shi)，設(she)備(bei)上(shang)的(de)這(zhe)種(zhong)延(yan)遲(chi)就(jiu)很(hen)明(ming)顯(xian)，因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)更(geng)多(duo)時(shi)間(jian)校(xiao)正(zheng)移(yi)動(dong)中(zhong)累(lei)積(ji)的(de)誤(wu)差(cha)。這(zhe)種(zhong)效(xiao)應(ying)在(zai)需(xu)要(yao)實(shi)時(shi)響(xiang)應(ying)的(de)遊(you)戲(xi)和(he)虛(xu)擬(ni)/增強現實應用中尤其令人討厭。

 

從詳細的評估和分析來看， xianranbenwensuoshudechuanganqironghexianzaikeyiguangfanyingyongyuzhuanyejihexiaofeijishichang。xianchangshiyanbiaoming，yonghukeyizaixingnenghejingdufangmianhuodeyoujiazhideshengji。suiranyingjianheruanjianfangmiandegainianhegongchengjishubijiaofuza，danduikaifarenyuanlaishuo，congdangqianchuanganqirongheguodudaozhezhongxianjinjiejuefanganderenwuquexiangduijiandan。

 

傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)技(ji)術(shu)現(xian)在(zai)已(yi)經(jing)發(fa)展(zhan)到(dao)相(xiang)當(dang)成(cheng)熟(shu)的(de)階(jie)段(duan)。通(tong)過(guo)將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)構(gou)建(jian)模(mo)塊(kuai)設(she)計(ji)到(dao)相(xiang)同(tong)封(feng)裝(zhuang)中(zhong)，可(ke)以(yi)確(que)保(bao)這(zhe)些(xie)單(dan)元(yuan)得(de)到(dao)最(zui)優(you)化(hua)，並(bing)能(neng)夠(gou)很(hen)好(hao)地(di)協(xie)同(tong)工(gong)作(zuo)。係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)不(bu)再(zai)需(xu)要(yao)在(zai)組(zu)裝(zhuang)、優化和調試傳統“永遠在線”子係統方麵花費時間，因為通過設計
，每個器件都對最高精度和最低功耗做了優化。

 

這種高度的技術和設計創造性帶給開發人員的優勢
，可以給OEM廠chang商shang提ti供gong巨ju大da好hao處chu，他ta們men不bu僅jin能neng夠gou向xiang市shi場chang推tui出chu高gao度du差cha異yi化hua的de產chan品pin，而er且qie其qi向xiang用yong戶hu提ti供gong的de整zheng個ge新xin一yi代dai電dian子zi設she備bei還hai將jiang具ju有you顯xian著zhu改gai進jin的de性xing能neng和he功gong效xiao。